Bentonietklei: de zwellende klei die kernafval miljoenen jaren moet indammen
Diep onder de grond in Finland en Zweden wordt een technologie getest die niet draait om chips, algoritmes of raketten, maar om klei. Gewone, grijze klei die je tussen je vingers kunt kneden. Toch speelt deze klei — bentoniet genaamd — een hoofdrol in een van de meest ambitieuze technische projecten van deze eeuw: het veilig opbergen van radioactief afval voor honderdduizenden jaren.
Stel je een spons voor die, zodra ze nat wordt, zo hard opzwelt dat ze elke kier en spleet om zich heen dichtdrukt en daarna nauwelijks nog water doorlaat. Dat is ongeveer wat bentoniet doet. Ingenieurs gebruiken die eigenschap om metalen vaten met kernafval te omhullen met een kleilaag die, als er ooit grondwater bij komt, zichzelf afdicht en het afval eeuwenlang isoleert van de buitenwereld.
Wat is het precies?
Bentoniet is geen kunstmatig materiaal maar een natuurlijk gesteente: verweerde vulkanische as die door de eeuwen heen is omgezet in kleimineralen, voornamelijk een mineraal genaamd montmorilloniet. De naam komt van Fort Benton in de Amerikaanse staat Montana, waar deze klei in de negentiende eeuw voor het eerst op grote schaal werd ontgonnen.
Wat montmorilloniet bijzonder maakt, is de opbouw op microscopisch niveau: het bestaat uit dunne, plaatvormige laagjes die losjes op elkaar gestapeld liggen, met elektrisch geladen ionen ertussen. Zodra er water bijkomt, dringt dat water tussen de laagjes en duwt ze uit elkaar. Daardoor kan bentoniet tot enkele malen zijn eigen volume in water opnemen en flink opzwellen, tot wel enkele tientallen procenten van zijn oorspronkelijke omvang, afhankelijk van het type klei en de druk waaronder het zich bevindt.
Voor het gebruik in kernafvalbergingen wordt de losse klei eerst tot compacte blokken of korrels geperst, met een dichtheid en vochtgehalte die precies zijn afgestemd op de toepassing. Die blokken worden om metalen afvalcontainers heen gestapeld, in tunnels diep in de rots. Zodra er, over tientallen tot honderden jaren, grondwater doorsijpelt, zwelt de klei op en vult ze elke resterende ruimte en microscheur op. Het resultaat is een vrijwel waterondoorlatende, zelfherstellende barrière: als de klei ergens lokaal beschadigd raakt, dicht ze zichzelf opnieuw af zodra er weer vocht bijkomt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende probleem is bekend: kerncentrales produceren gebruikte splijtstof en ander hoogradioactief afval dat honderdduizenden jaren gevaarlijk radioactief blijft. Bovengrondse opslag is geen permanente oplossing, want gebouwen, bewaking en samenlevingen veranderen op een tijdschaal die daar niet tegenop kan. Het overheersende wetenschappelijke antwoord is daarom geologische eindberging: het afval diep wegstoppen in stabiele rotslagen, ver van mens en biosfeer.
Bentoniet is daarbij niet de enige barrière, maar onderdeel van een gelaagd verdedigingssysteem, vaak het 'meervoudige barrière'-concept genoemd. Eerst zit het afval in een corrosiebestendige metalen of koperen capsule. Die capsule wordt omhuld door bentoniet. De bentoniet zit weer in een tunnel, honderden meters diep in stabiel gesteente. Elke laag heeft een eigen taak: de klei beschermt de capsule mechanisch tegen kleine gesteentebewegingen, remt het transport van eventuele radioactieve deeltjes af doordat veel stoffen zich aan kleimineralen binden, geleidt de warmte die het afval nog afgeeft weg zodat de capsule niet oververhit raakt, en houdt corrosief grondwater zoveel mogelijk op afstand van de capsule.
Het doel is dus niet dat er nooit iets kan lekken, maar dat elke denkbare lekroute zo lang en zo traag wordt gemaakt dat radioactiviteit, tegen de tijd dat ze de oppervlakte zou kunnen bereiken, al grotendeels is vervallen tot onschadelijke niveaus.
Voorbeelden uit de praktijk
Het verst gevorderde project ter wereld is Onkalo in Finland, bij de kerncentrale van Olkiluoto. Het Finse bedrijf Posiva begon in 2004 met de bouw van toegangstunnels op zo'n 400 tot 450 meter diepte in het graniet. Onkalo is het eerste project wereldwijd dat de fase van daadwerkelijke berging van gebruikte splijtstof heeft bereikt, met testfases en een aanloop naar operationeel gebruik in de tweede helft van de jaren 2020. De koperen afvalcapsules worden hier letterlijk ingepakt in bentonietblokken volgens het zogeheten KBS-3-concept.
Zweden volgt een vergelijkbaar traject. Het Zweedse afvalbeheerbedrijf SKB kreeg in 2022 van de Zweedse regering toestemming om bij Forsmark een eindberging te bouwen, eveneens volgens het KBS-3-ontwerp met koperen capsules en bentonietbuffer.
In Zwitserland wees het onderzoeksinstituut Nagra in 2022 de locatie Nördlich Lägern aan als plek voor een toekomstige eindberging in kleisteen, waarbij bentoniet als afdichtingsmateriaal in de toegangstunnels en boorgaten wordt gebruikt.
Frankrijk werkt via het agentschap Andra aan het Cigéo-project bij Bure, in een dieper gelegen kleilaag; ook hier vormen bentonietproppen een van de afdichtingselementen tussen de opslagcompartimenten.
Daarnaast lopen al decennialang praktijkexperimenten die niet dienen om echt afval op te bergen, maar om het gedrag van bentoniet te bestuderen: het FEBEX-experiment in het Zwitserse Grimsel-laboratorium en de Prototype Repository in het Zweedse Äspö Hard Rock Laboratory hebben al sinds de jaren negentig en begin jaren 2000 volgeschaalde bentonietbuffers ondergronds liggen, om te zien hoe de klei zich over jaren en decennia werkelijk gedraagt.
Hoe ver is de techniek?
Het materiaal zelf is geen nieuwe uitvinding; bentoniet wordt al meer dan een eeuw industrieel gebruikt, onder meer in boorvloeistoffen voor de olie- en gasindustrie en als bindmiddel in kattenbakkorrels en gietvormen. Wat nieuw en technisch uitdagend is, is het gebruik als langdurige veiligheidsbarrière onder extreme omstandigheden: hoge druk, warmte van het afval, agressief grondwater en tijdschalen van honderdduizenden jaren waarover niemand rechtstreeks kan experimenteren.
Onderzoekers proberen dit gat te overbruggen met een combinatie van laboratoriumproeven, ondergrondse praktijkexperimenten die al tientallen jaren lopen, en computermodellen die de gekoppelde thermische, hydraulische, mechanische en chemische processen (kortweg THMC genoemd) simuleren. Belangrijke openstaande vragen betreffen onder meer hoe bentoniet zich gedraagt in aanwezigheid van zeer zout grondwater, in hoeverre microben in de diepe ondergrond de klei of de metalen capsules op lange termijn kunnen aantasten, en hoe erosie van de klei door stromend grondwater in gebarsten gesteente precies verloopt.
Qua ontwikkelstatus loopt Finland duidelijk voorop: Onkalo is het enige project ter wereld dat de overgang maakt van experiment naar daadwerkelijke, vergunde berging. Zweden en Zwitserland volgen met een aantal jaren vertraging, terwijl projecten in landen als Frankrijk, Canada en Japan zich nog in eerdere planning- of vergunningsfases bevinden. Vertragingen zijn in dit vakgebied eerder regel dan uitzondering: vergunningsprocedures, maatschappelijk draagvlak en aanvullend onderzoek naar langetermijngedrag kosten telkens meer tijd dan aanvankelijk gepland.
Wie werken eraan?
Het onderzoek en de uitvoering liggen vooral bij nationale afvalbeheerorganisaties: Posiva in Finland, SKB in Zweden, Nagra in Zwitserland, Andra in Frankrijk, NWMO in Canada en NUMO in Japan. Deze organisaties werken nauw samen, onder meer via gezamenlijke ondergrondse laboratoria zoals Grimsel en Mont Terri in Zwitserland, en wisselen via internationale gremia zoals het Kernenergieagentschap van de OESO (NEA) en het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) onderzoeksresultaten uit.
Op het gebied van de klei zelf spelen ook gespecialiseerde mijnbouw- en materiaalbedrijven een rol, zoals de Amerikaanse producent Wyo-Ben en het Griekse S&B Industrial Minerals, die bentoniet van de juiste kwaliteit en samenstelling leveren voor deze precisietoepassing. Universiteiten en onderzoeksgroepen in onder meer Zweden, Zwitserland, Finland, Duitsland, Japan en Zuid-Korea leveren het fundamentele kleiwetenschappelijke onderzoek waarop de ingenieurspraktijk steunt.